Qu’est-ce que Ouroboros ? Le mécanisme de consensus de Cardano

Qu’est-ce que Ouroboros de Cardano ?

Ouroboros est le mécanisme de consensus utilisé par la blockchain de Cardano pour valider les transactions et ajouter de nouveaux blocs à la blockchain. Au sein de la blockchain, Ouroboros détermine quels participants obtiennent le droit de produire un nouveau bloc et comment les participants du réseau s’accordent sur la validité des transactions et l’état le plus récent du distributed ledger.

Ouroboros fonctionne comme un mécanisme de Proof-of-Stake (PoS), mais il cherche à se distinguer grâce à un système basé sur la recherche académique avec des propriétés de sécurité formellement démontrées par des preuves mathématiques.

Le mécanisme a été développé sous la direction de Charles Hoskinson avec son équipe de cryptographes et d’informaticiens, ainsi qu’avec des chercheurs d’institutions telles que l’Université d’Édimbourg et IOHK (Input Output Hong Kong). Ce qui rend Ouroboros unique est qu’il s’agit de l’un des premiers protocoles Proof-of-Stake dont la sécurité a été examinée par des pairs dans des publications académiques.

À retenir

• Ouroboros est le mécanisme de consensus de la blockchain Cardano et détermine comment les transactions sont validées et comment de nouveaux blocs sont ajoutés à la blockchain.
• Le protocole fonctionne avec une structure temporelle composée d’epochs et de slots, où pour chaque slot il est déterminé quel participant obtient le droit de produire un nouveau bloc.
• Au lieu d’un mining énergivore comme dans le Proof of Work, les blocs sont produits par des participants qui ont staké des ADA ou qui ont délégué leurs ADA à des staking pools.
• Ouroboros a été développé sur la base de recherches académiques et fait partie des premiers protocoles Proof-of-Stake dont la sécurité a été étudiée mathématiquement et publiée avec une révision par des pairs.

Que signifie Ouroboros ?

Le nom Ouroboros peut sembler assez compliqué. Rien qu’en entendant ce nom, on pourrait se demander pourquoi choisir un nom aussi difficile. Cependant, Charles Hoskinson (le fondateur de Cardano) et son équipe ne l’ont pas choisi au hasard. Le nom Ouroboros est un ancien symbole représentant un serpent ou un dragon qui mord sa propre queue et forme un cercle. Cela symbolise l’infini, la cyclicité et le renouvellement continu. Parce que la créature se dévore et se recrée constamment, elle est souvent interprétée comme une représentation du cycle éternel de la vie, de la mort et de la renaissance.

Ce symbole apparaît dans plusieurs cultures anciennes, notamment dans les traditions égyptiennes, grecques et alchimiques.

Dans le contexte des blockchains, ce symbolisme correspond bien à l’idée d’un système qui produit continuellement de nouveaux blocs et qui se renouvelle en permanence. La blockchain se développe continuellement à mesure que de nouveaux blocs sont ajoutés, tandis que le réseau se maintient lui-même grâce à des mécanismes de consensus.

Avec ce contexte, il n’est donc pas surprenant que ce nom soit donné au mécanisme de consensus d’une blockchain. C’est précisément la raison pour laquelle Cardano a choisi le nom Ouroboros.

L’idée derrière Ouroboros

Les développeurs d’Ouroboros et de Cardano voulaient créer une blockchain qui soit sécurisée, évolutive et économe en énergie et, peut-être le plus important, un mécanisme de consensus dont la sécurité est démontrée mathématiquement. Avec Ouroboros, ils ont tenté de développer une alternative aux blockchains énergivores telles que Bitcoin et Litecoin, qui utilisent le Proof of Work (PoW).

Ces blockchains utilisent des miners qui mobilisent de grandes quantités de puissance de calcul pour valider les transactions et ajouter de nouveaux blocs. Ce modèle est sécurisé, mais il consomme beaucoup d’énergie.

Ouroboros tente d’atteindre le même niveau de sécurité sans cette compétition énergivore. À la place, le protocole utilise la participation économique au réseau comme base du consensus. La probabilité qu’un participant puisse produire un nouveau bloc dépend de la quantité d’ADA qu’il met en staking. On appelle cela le staking.

Le modèle est scientifiquement soutenu. Des chercheurs ont établi des preuves mathématiques démontrant que le réseau reste sécurisé tant qu’une majorité du stake agit honnêtement.

Ouroboros fonctionne comme un mécanisme de consensus qui utilise ce que l’on appelle des epochs et des slots. Le système utilise une structure temporelle fixe pour déterminer qui peut ajouter un bloc à la blockchain. Au lieu de miners en compétition avec de la puissance de calcul comme dans le Proof of Work, Ouroboros sélectionne les participants pouvant produire des blocs en fonction de la quantité d’ADA mise en staking.

Un epoch est une période plus longue au sein du réseau. Un epoch est composé d’un grand nombre de slots. Un slot est une courte fenêtre de temps pendant laquelle, en principe, un bloc peut être produit.

Au sein d’un epoch, les nouveaux blocs sont répartis entre les slots. Dans un slot, il est déterminé qui peut valider et ajouter le nouveau bloc contenant des transactions au distributed ledger.

Ouroboros examine la part d’un staking pool. Plus la quantité d’ADA stakée dans un staking pool est importante, plus la probabilité que ce pool obtienne le droit de produire un bloc dans un slot spécifique est élevée. Ainsi, la production de blocs est liée à l’intérêt économique dans le réseau plutôt qu’à la puissance informatique.

Comme le producteur de blocs est choisi en fonction des ADA stakées, de nombreux staking pools ont été créés en pratique. Un staking pool gère l’infrastructure technique nécessaire pour traiter les transactions et produire de nouveaux blocs. Les utilisateurs peuvent déléguer leurs ADA à ces pools, ce qui augmente la probabilité que des blocs soient produits à l’aide de leurs tokens ADA stakés. Les ADA déléguées restent la propriété de l’utilisateur mais comptent dans le stake total de ce pool. Plus un pool représente de stake, plus la probabilité qu’il soit sélectionné comme producteur dans plusieurs slots est élevée.

Lorsqu’un staking pool est sélectionné pour un slot spécifique, ce pool peut créer un nouveau bloc durant cette fenêtre de temps. Ce bloc contient des transactions valides qui n’ont pas encore été ajoutées à la blockchain. Le pool diffuse ensuite le bloc au reste du réseau. D’autres nodes vérifient ensuite si le bloc est valide. Ils vérifient par exemple si les transactions sont correctes, si aucun double spending (double spending) ne se produit et si le bloc a été produit conformément aux règles du protocole. Si le nouveau bloc est valide, ils l’ajoutent à leur propre version de la blockchain.

Un aspect important d’Ouroboros est que la sécurité du réseau dépend d’une majorité honnête du stake. Tant que la majorité des ADA stakées est contrôlée par des participants honnêtes, le réseau reste fiable et il devient extrêmement difficile pour des acteurs malveillants de manipuler la blockchain. Il s’agit d’une différence fondamentale avec le Proof of Work, où la sécurité dépend principalement de la majorité de la puissance de calcul.

Quelle est la différence entre Ouroboros et le Proof of Stake traditionnel ?

Ouroboros est une forme de Proof of Stake (PoS), mais il diffère sur plusieurs points d’autres modèles PoS, comme celui utilisé par Ethereum.

Une différence importante est qu’Ouroboros a été développé sur la base de recherches scientifiques. Le protocole a été conçu par des chercheurs puis examiné par d’autres scientifiques. De nombreux anciens systèmes Proof-of-Stake ont principalement été construits par des développeurs sans recherche académique approfondie sur leur sécurité.

De plus, Ouroboros a introduit une structure temporelle claire avec des epochs et des slots, ce qui rend la production de blocs plus prévisible et mieux organisée. Dans certains systèmes PoS traditionnels, la production de blocs est attribuée de manière moins structurée, par exemple via une sélection aléatoire de validateurs en fonction de leur stake. Ces validateurs obtiennent alors l’opportunité de produire un bloc lorsque le protocole les sélectionne.

Une autre différence est l’utilisation des stake pools. Ouroboros encourage la décentralisation grâce aux staking pools, ce qui permet aux utilisateurs de déléguer leurs ADA sans avoir à gérer eux-mêmes un node.

Mises à jour d’Ouroboros

Depuis le développement d’Ouroboros et de Cardano, Ouroboros a été amélioré à plusieurs reprises. Chaque mise à jour a contribué à améliorer la sécurité, l’évolutivité et la stabilité. Voici les mises à jour les plus importantes.

Ouroboros Classic

Ouroboros Classic est la version originale du protocole et a été présentée en 2017 dans une publication académique. C’était l’un des premiers systèmes Proof-of-Stake dont la sécurité a été démontrée mathématiquement. Cette version a constitué la base du réseau Cardano d’origine.

Le protocole a introduit l’idée d’epochs et de slots et utilise la quantité d’ADA stakée pour déterminer quel node peut produire un bloc.

Ouroboros BFT

Ouroboros BFT (Byzantine Fault Tolerance) était une mise à niveau temporaire utilisée pendant la transition de la première version de Cardano vers un réseau entièrement décentralisé.

Cette version a permis d’effectuer une transition sécurisée entre différents protocoles sans devoir redémarrer la blockchain ni perdre son historique. Elle a été principalement utilisée pendant les phases Byron et Shelley de Cardano.

Ouroboros Praos

Ouroboros Praos est la version du protocole qui constitue actuellement la base du réseau Cardano. Cette mise à jour a principalement amélioré la sécurité et la manière dont les producteurs de blocs sont sélectionnés.

Praos a également rendu plus difficile pour les attaquants de savoir à l’avance quel node produira un bloc, car la sélection d’un slot reste partiellement secrète. Le caractère aléatoire du processus de sélection a également été amélioré, ce qui aide à protéger le réseau contre les manipulations.

Ouroboros Genesis

Ouroboros Genesis est une amélioration supplémentaire de Praos et se concentre principalement sur les nodes qui sont nouveaux dans le réseau ou qui se reconnectent après une longue période.

Normalement, un node nouveau doit synchroniser toute la blockchain. Genesis introduit des mécanismes qui empêchent un tel node d’être trompé par un acteur malveillant essayant de présenter une blockchain alternative et fausse (une attaque dite long range attack). Cela rend plus sûr l’accès des nouveaux nodes au réseau.

Avantages d’Ouroboros

Ouroboros présente plusieurs avantages :

• Faible consommation d’énergie
  Ouroboros utilise le Proof of Stake au lieu d’un mining énergivore. Par conséquent, le réseau consomme beaucoup moins d’électricité que les blockchains qui utilisent le Proof of Work.
• Haut niveau de décentralisation
  Les utilisateurs peuvent déléguer leurs ADA à différents staking pools, ce qui renforce la décentralisation du réseau. Cela permet à de nombreux participants de contribuer au réseau sans avoir à gérer eux-mêmes un node.
• Conception fondée sur la recherche scientifique
  Le protocole a été développé sur la base de recherches académiques et examiné par des scientifiques. Cela contribue à améliorer la sécurité et la fiabilité du réseau.
• Évolutivité
  Grâce à l’utilisation d’epochs et de slots, la production de blocs peut être organisée de manière efficace.

Inconvénients d’Ouroboros

En plus de ses avantages, Ouroboros présente également des inconvénients et des risques :

• Complexité du protocole
  Ouroboros est techniquement assez complexe et repose sur une cryptographie avancée. Cela peut rendre le système plus difficile à comprendre dans son ensemble.
• Risque de centralisation
  Si de grands staking pools reçoivent de nombreuses délégations, un nombre relativement restreint de pools pourrait produire une grande partie des nouveaux blocs, ce qui pourrait exercer une pression sur la décentralisation.
• Dépendance aux incitations économiques
  Le système fonctionne mieux lorsque les participants se comportent honnêtement parce qu’ils ont un intérêt financier dans le réseau. Si de grandes quantités de stake sont contrôlées par des acteurs malveillants, cela peut introduire des risques.
• Développement plus lent
  Étant donné que Cardano met fortement l’accent sur la recherche académique et la révision par les pairs, certaines nouvelles fonctionnalités peuvent être introduites plus lentement que dans d’autres projets blockchain.

En résumé

Ouroboros est le mécanisme de consensus qui constitue la base de la blockchain Cardano et détermine comment les transactions sont validées et comment de nouveaux blocs sont ajoutés. Contrairement aux systèmes énergivores comme le Proof of Work, Ouroboros utilise le Proof of Stake, où les participants ont la possibilité de produire des blocs en fonction de la quantité d’ADA qu’ils ont stakée. Grâce à l’utilisation d’epochs et de slots, le réseau peut organiser la production de blocs de manière structurée et efficace.

Ce qui distingue Ouroboros de nombreux autres mécanismes de consensus est son fort accent sur la recherche académique et les preuves formelles de sécurité. Le protocole a été conçu par des chercheurs et publié dans des études évaluées par des pairs, ce qui signifie que la sécurité du système est mathématiquement étayée. De plus, les staking pools permettent aux utilisateurs de participer facilement au réseau sans avoir à gérer eux-mêmes un node.

Dans le même temps, Ouroboros présente également des défis. La complexité technique du protocole peut rendre le système plus difficile à comprendre, et une forte concentration de stake dans de grands staking pools peut exercer une pression sur la décentralisation. Malgré ces considérations, Ouroboros est largement considéré comme un exemple important de la manière dont la recherche scientifique et la technologie blockchain peuvent être combinées pour développer un mécanisme de consensus sûr et économe en énergie.